深水圆筒型钻井平台张紧式系泊系统设计

2021-12-18张会良肖龙飞徐秀龙

海洋工程 2021年6期

张会良，肖龙飞，徐秀龙

(1. 南通中远海运船务工程有限公司，江苏南通 226006; 2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

深水圆筒型浮式钻井平台，目前在墨西哥湾、巴西等海域都有服役。以圆筒型钻井平台为研究对象，针对我国南海海域海况，设计一套张紧式系泊系统，并进行时域耦合分析，对该平台在南海海域的水动力适用性进行研究。国内对于圆筒型浮式平台的水动力研究大致开始于2010年。白杰等[1]设计一种带有垂荡抑制结构的圆筒型浮式生产储卸油装置(FPSO)，可以有效改善平台的运动性能，提高系泊的安全性。国外对圆筒型海洋平台的研究从20世纪90年代就已经开始。Afrizal等[2]在2013年基于雷诺平均N-S(RANS)方法利用自行开发的程序对圆形FPSO周围流场特征进行了模拟。这里利用数值计算方法，对圆筒型钻井平台耦合运动和缆索受力的影响因素进行了分析，基于研究结果，对一套张紧式系泊系统进行了优化，缆索受力明显减小，可应用于工程实践。

1 圆筒型平台的介绍

21世纪初圆筒型钻井平台问世，其特点是浮体为具有较大直径的圆筒形状。2009年11月，世界首座圆筒型深水钻井平台“希望1号”交付，如图1所示，平台最大作业水深为3 000 m，钻井深度为12 000 m[3]。对圆筒型钻井平台进行研究分析，验证此类平台在南海海域的水动力适用性，为我国南海油气开发提供一种新的选择。

圆筒型平台与Spar平台外形有些类似，但其实它们有着较为明显的区别：Spar平台高度方向很大，达200 m左右，筒体直径约20～40 m[4]，吃水超过100 m，类似于一根细长的柱子；而圆筒型钻井平台的筒体直径较大，在60～100 m之间，而高度方向在30～40 m左右，筒体形状比较矮粗。因此从主尺度来看Spar平台是一种深吃水浮式结构物，偏离常规船型概念，而圆筒型平台主尺度仍与普通船体接近。从稳性角度来看，圆筒型平台的计算方法和校核标准也和船型平台属于同一类型，而Spar平台重心位于浮心以下，属于恒稳定系统。Spar平台的水线面比圆筒型平台要小，因此垂荡和纵荡运动幅度更小。

2 张紧式系泊系统初步设计方案

2.1 系泊系统初步方案介绍

圆筒型钻井平台正常作业时一般依赖动力定位系统进行平台的定位，其基本设计并没有配备多点系泊定位系统。动力定位系统的优点在于可适用于任意水深，定位方便快速、机动性高，缺点在于建造、维护和运营成本较高，能源消耗较大，定位能力非常依赖系统的可靠性，设备发生故障时丧失定位风险较大。“海洋石油981”钻井平台采用了动力定位和系泊定位的组合定位系统，在1 500 m以内的浅水和中深水海域，通过多点系泊系统实现平台的定位，在水深更大的海域则采用动力定位系统。借鉴“海洋石油981”平台的经验，为圆筒型钻井平台设计一套系泊定位系统，用于1 500 m水深以内的南海海域，以提高其经济性。

图1 圆筒型钻井平台Fig. 1 Cylinder drilling platform

图2 多点系泊定位系统布置示意Fig. 2 Arrangement of multipiont mooring system

多点系泊定位系统通常认为可分为两类，张紧式系统和悬链式系统。悬链式系统的定位回复力是由悬垂的钢链或钢索的自重实现，一般适用于小于1 000 m水深的海域。因为当水深较大时，系泊系统布置半径也较大，由于悬链式系统的自重随着布置半径的增加而增大，平台的有效载荷减小，且定位能力也因为回复力的减小而满足不了设计要求。而张紧式多点系泊定位系统的回复力是通过缆索的轴向刚度实现，且随着聚酯纤维材料的技术更新和应用而逐渐发展起来[5]。

圆筒型钻井平台的设计工作海域为南海，水深达1 500 m，因此需要选用张紧式多点系泊定位系统。设计了一套初始方案，系泊系统设置3组，每组包含4根系泊缆，一共有12根；同一组内相邻系泊缆之间夹角为5°，各组系泊缆之间夹角为120°，如图2所示。组内相邻系泊缆的5°夹角参考了作业于英国北海的圆筒型WIDP FPSO的设计经验，主要是考虑系泊绞车和导缆器的布置，夹角过小则布置空间受限，夹角过大则承担主方向环境载荷的系泊缆张力偏大。根据绞车尺寸和操作维护的空间要求以及导缆器水平方向自由旋转范围的角度要求，选择了5°作为相邻系泊缆间的夹角。每根系泊缆的长度和材料属性见表1，每根缆长2 307 m，与水平面夹角为40°，系泊半径为1 811 m。两端采用锚链，而中间采用聚酯缆。

表1 系泊缆物理属性Tab. 1 Properties of mooring lines

2.2 海洋环境参数及设计标准

表2 海洋环境及作业参数Tab. 2 Marine environment and operational parameters

系泊定位系统的计算结果主要以平台的水平位移和系泊缆的安全因子作为评判标准。平台的许用位移由设计者根据实际作业的设备限制和间距要求而定。参考文献[8]，这里的许用水平位移规定为：作业工况为水深的5%，自存工况为水深的10%。根据API规范[6]，在时域范围内计算的动态系泊缆张力，完整工况安全因子最小为1.67，一缆破断工况安全因子最小为1.25，但对于聚酯缆材料，一般建议增加10%，因此文中校核标准为完整工况1.84，破断工况1.38。

2.3 平台运动响应结果

表3和图3显示了平台在不同风浪流环境条件下的6自由度运动响应。可以看出，平台最主要的运动响应是纵荡、纵摇和垂荡，且当风浪流方向为0°，纵荡位移更为明显，为45.16 m，约为3%的水深，仍远小于规范要求的10%。平台的最大纵摇运动为15.93°，最大垂荡运动为9.29 m。图4～6分别展示了纵荡、纵摇和垂荡的响应时历曲线和响应谱曲线。通过观察各自由度的响应谱发现：垂荡响应周期主要在12～18 s之间，水平运动的横荡和纵荡响应周期在80 s以上，而纵摇的响应周期在10～20 s范围内。

表3 平台6自由度运动计算结果统计值Tab. 3 Statistical values of six degree-of-freedom motion of platform

图4 纵荡响应时历曲线以及对应响应谱Fig. 4 Time history of surge and response spectra

图5 纵摇响应时历曲线以及对应响应谱Fig. 5 Time history of pitch and response spectra

图6 垂荡响应时历曲线以及对应响应谱Fig. 6 Time history of heave and response spectra

2.4 系泊缆受力分析

不同系泊缆的受力结果如表4所示，当风浪流方向为180°时，位于艏部的8根缆绳受力较大，承担了主要的回复力。当风浪流方向为0°时，艉部4根缆绳受力较大，且比180°更为苛刻，此时6号缆的张力达到6 905 kN，安全系数为1.85，刚好满足聚酯缆需要大于1.84的要求。6号缆张力的时历曲线和响应谱如图7所示，可以发现，6号缆张力响应的集中区域与平台的纵荡响应保持相关性。

表4 系泊缆受力结果统计值Tab. 4 Statistical values of mooring lines force

图7 6号系泊缆张力时历曲线以及对应响应谱Fig. 7 No.6 mooring line force time history and response spectra

3 系泊缆受力和耦合运动影响因素分析

由于当风浪流方向为0°时，平台的运动响应和缆绳张力最大，因此下文的对比分析中，仅考虑风浪流方向为0°时的情况。

3.1 改变系泊缆与水面的夹角

保持系泊缆的预张力不变，改变缆绳与水面夹角，可以研究此夹角对平台运动和缆绳张力的影响。分别对比25°、30°、35°、40°和45°五种情况下的结果，如表5所示。可以看到夹角增大时，纵荡位移呈现先减小后增大的趋势，拐点在35°附近，而垂荡和纵摇响应变化并不明显。当系泊缆与海面夹角小于35°时，纵荡位移随夹角增大呈现减小趋势，但当夹角大于35°，纵荡位移开始呈现增加趋势。因此认为将缆绳与水面夹角设置为35°的设计比较优化，此时平台运动响应和系泊缆受力均在较合适的范围。

表5 不同夹角时6号缆受力和平台运动响应结果Tab. 5 Results of force of cable No.6 and platform motion response at different angles

3.2 调整系泊缆初始长度

保持初始系泊缆与水面夹角40°不变，改变系泊缆索的长度，来研究平台的运动和缆索的受力。在初始设计方案基础上分别减少和增加20 m，对比缆索受力和平台运动响应结果，如表6所示。由表6可以发现，平台纵荡位移和缆索张力有较大变化，而垂荡和纵摇变化较小。当系泊缆索长度变大时，缆索张力将增大，平台运动可以减小，反之当缆索长度减小时，运动响应将增大，但缆索张力可以缩小。这说明在正常营运时，平台的运动响应和系泊缆索的张力可以通过绞车收放缆绳进行一定的调节，以达到使用要求。

表6 系泊缆不同初始长度时6号缆受力和平台运动响应结果Tab. 6 Results of force of cable No.6 and platform motion response with different initial length of mooring cables

3.3 调节系泊缆各段长度分配

保持每根缆索的总长度不变，通过改变不同的长度分配，来对比其影响，结果如表7所示。由表7可以发现，当上下两端锚链长度减小时，由于自重减小，缆索张力也相应减小，但平台运动响应并没有太大的增加。说明缆索的张力可以通过减小上下两端锚链的长度来实现，同时不会对平台运动响应有太大的影响。

表7 6号缆索不同长度分配时张力和平台运动结果Tab. 7 Results of force of cable No.6 and platform motion response with different distribution of mooring cables

3.4 改变系泊缆组合

保持系缆索总数量为12根，可以有不同的分组方式。如图8所示，新设计2套多点系泊定位系统，1套系统每组有2根缆索，共6组，1套系统每组有3根缆索，共4组，其他设计因素与初始方案保持一致。由于布置的对称性，当缆索分成4组时，仅计算0°和45°的风浪流方向，当缆索分成6组时，仅计算0°和30°风浪流方向。结果表明不管是分成4组还是6组，均是在风浪流为0°方向时，缆索张力更大。对比这两种布置，分成4组时，8号缆索受力最大，达到7 854 kN，分成6组时，也是8号缆索受力最大，为7 772 kN。并且对比发现平台运动响应也是在风浪流为0°方向时较大。因此对于这两种新的布置方案，同样将0°环境载荷方向作为设计工况考虑。不同缆索分组方案的计算结果见表8，可以看出初始设计方案3组×4根，不管是缆索张力，还是最主要的纵荡响应，均为最小。因此判定初始方案的缆索分组为最优布置。

图8 系泊系统缆索布置新设计方案Fig. 8 New design of mooring system arrangement

表8 系泊缆不同组合方案的缆索张力和运动响应结果对比Tab. 8 Comparisons of mooring cables forces and motion responses for different mooring cable combinations

4 张紧式系泊系统的优化

4.1 选择优化方案

综合以上研究结果认为：1)系泊缆受力和平台位移无法同时达到最优，需要根据初步方案的计算结果来确定更关注的因素。研究的平台初始方案计算结果显示其系泊缆索张力的安全系数基本没有余量，而纵荡位移却远小于许可值。因此需要重点关注系泊缆索张力的优化。2)减小系泊缆与海面夹角会减小系泊缆受力，但同时布置半径和系泊缆长度增加，需要同时考虑经济性，不能一味为了减小受力而提高成本。3)通过调节系泊缆的长度可有效改变系泊缆受力和平台位移量，这对于实际作业有着重要指导意义。4)减小两端锚链长度可减小系泊缆受力，但需要注意在工程实践中，两端的锚链长度需要首先满足业主的使用要求，不能任意缩短。5)系泊缆根数保持12的情况下，4根×3组为最优选择。

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最终优化方案如下：1)系泊缆索的分组。通过3.4节的分析对比，可以看到在保持12根系泊缆索数量不变的前提下，每组4根，分为3组的方案最优，因此可以保持初始方案的分组方式；2)系泊缆索的三段长度分配。为了降低缆索张力，可以减小两端的锚链长度，以减小自重。优化方案为海底末端锚链长度设定为150 m，导缆器端的锚链长度设定为100 m，中间段仍采用聚酯纤维材料的缆索；3)缆索初始长度的优化。由于目标是减小缆索张力，所以考虑适当增加缆索长度，缆索长度从2 307 m增加为2 600 m；4)调整缆索与水平面的夹角。通过上述分析发现35°夹角是一个更为优化的选择，可以减小缆索张力，同时也对纵荡响应有利。

4.2 优化方案的计算及对比

4.2.1 自存工况

表9列出了优化方案的系泊缆受力和平台运动响应结果。由于平台的水平运动响应不是优化的目标，可以看到纵荡运动从45.16 m增大到59.83 m，但仍可以满足规范要求的水深10%的要求，且有较大余量。重点关注目标缆索张力的安全系数从1.85增大到2.17，张力最大值减小了14.8%。因此自存工况下实现了优化缆索张力的目标，并且各项考核指标均在规范允许范围内。

表9 优化方案自存工况下系泊缆受力和平台运动响应结果Tab. 9 Force of mooring lines and vessel motion results under survival condition

4.2.2 作业工况

基于上述优化方案，进一步研究钻井平台的作业工况下运动响应和缆索张力情况，计算结果如表10所列。定义的环境条件：表层流速为0.93 m/s，设计风速为23.1 m/s，谱峰周期为11.2 s，选取的有效波高为6.0 m。得到缆索张力最大为2 894 kN，最大纵摇角度为6.02°，垂荡位移最大为3.10 m，而规范中有要求的纵荡位移为31.90 m，满足水深5%以内的要求，仅为2.1%。

表10 优化方案作业工况下系泊缆受力和平台运动响应结果Tab. 10 Force of mooring lines and vessel motion results under operation condition

4.2.3 一根缆绳破断工况

根据规范要求，在自存工况下还需要校核单根缆索破断情况下的平台运动和缆索张力，计算结果如表11所示。6号缆破断后相邻的7号缆受力最大，为7 315 kN，相较于破断前受力增大了24.3%。在一缆破断情况下，聚酯缆材料的缆索安全系数可以从1.84减小为1.38。计算得到的安全系数为1.75，仍大于规范要求的1.38。平台的最大纵摇角为13.04°，最大垂荡运动为9.07 m，增加幅度不大。平台最大的纵荡运动为72.99 m，不到水深的5%，也控制的较好。总体看出一缆破断工况下的平台运动和缆索张力仍符合要求。